遥感专业《数字图像处理》课程教学探讨

刘春国，韩瑞梅，卢晓峰

(河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作454000)

遥感专业《数字图像处理》课程教学探讨

刘春国，韩瑞梅，卢晓峰

(河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作454000)

《数字图像处理》是遥感科学与技术专业的一门专业必修课程。根据专业特性、课程体系和课程教学的要求，从课程教材和教学内容、方法和手段、实践教学等方面介绍了在遥感科学与技术专业开设《数字图像处理》课程的教学实践，并指出了进一步加强数字图像处理教学努力的方向。

数字图像处理，遥感科学与技术，课程教学

数字图像处理的应用已渗透到遥感、通信、航空航天、军事、安全保护等国民经济的许多领域。利用数字图像处理技术方法处理和分析遥感图像；让其服务于土地测绘、国土规划、环境监测、灾害治理等领域，已成为业界常态。遥感科学与技术本科专业开设《数字图像处理》课程，既可以让学生掌握数字图像处理的基本原理和方法，也可以为学生进一步学习数字摄影测量学、遥感原理与应用等课程奠定知识基础。如何保证和提高《数字图像处理》课程的教学质量，是授课教师必须认真对待的问题。笔者结合遥感科学与技术本科专业《数字图像处理》课程教学实践活动，从教材建设，教学内容、方法和手段，实践教学等环节进行了一系列探索，力争提高课程教学质量。

1 教学用书及辅助用书的确定

教材是反映教学内容和课程体系的重要标志，是提高教学质量的重要保证[1]。根据培养目标和专业课程体系，《数字图像处理》课程教学的基本要求是：了解数字图像处理的基本概念、原理和方法，了解图像处理技术相关领域进展，初步掌握利用计算机语言进行图像处理编程。笔者在教学实践中根据教学要求和各个教材的特点确定了教学用书和教学辅助用书。

1.1 教材内容体系与教材选择

数字图像处理学是一个综合性新兴边缘学科，应用领域广泛，各种新理论、新方法不断推出，教学用书也越来越多。有些教材侧重于概念、原理、方法和算法导出，由于理论深奥，教材晦涩难懂，不利于初学者建立对图像处理知识体系的认知；有些教材侧重于图像处理工具软件或软件包的介绍或者程序开发，系统性不足；还有些教材在介绍数字图像处理基本原理基础上，附加了行业应用的实例。纵观数字图像处理各种教材，基本内容比较固定，可分为基础知识、图像预处理、图像分析和图像理解。基础知识包括绪论、色度学基础和基本概念；图像预处理包括图像变换、增强、恢复、压缩、重建等；图像分析包括图像分割、描述和特征提取等；图像理解包括图像匹配与模式识别。

经过多年教学实践，比较不同教材的特色后，笔者选用武汉大学出版的《数字图像处理》作为教学用书。这部教材以当今数字图像处理领域的重要内容为基本构成，以内容的基础性兼顾方法的先进性为原则[2],主要包括图像数字化、影像直方图、图像文件格式、图像变换、空间域和频域增强处理、图像复原、图像压缩编码、广义图像处理中的边缘检测和区域分割、二值图像处理、纹理分析、模板匹配与模式识别等，内容比较系统完整，有利于学生较好地把握数字图像处理的整个知识体系；还涵盖了一部分图像处理前沿知识，如小波分析、分形特征提取、多分辨率分析、马尔科夫随机场和神经网络等，具有一定的深度、广度和新颖性[3]，有利于学生在学时有限情况下了解数字图像处理的一些新理论和新方法。教材中介绍了图像HSI彩色变换、密度分割、图像代数处理、图像纹理分析、图像几何校正、多源图像融合变换等在遥感图像处理分析中的重要作用，这便于教师讲授数字图像处理技术在遥感技术行业的应用，有专业针对性，学生易于接受。

1.2 教学辅助用书

在教学中适度引进世界著名高校的名牌课程教材和教学参考用书的工作已经引起我国高等教育界的重视，也是高等教育国际化的重要举措[4]。笔者考虑到不同教材内容体系和理论深度上的差别、课程理论和实践的特点，指定国外部分经典教材作为教学辅助用书供学生自学使用，如K.R.Castelman著的《数字图像处理》、R.C.Gonzalez著的《数字图像处理》及《数字图像处理（Matlab版）》。为帮助学生了解图像处理技术在遥感图像处理与分析中的作用，指定J.R.Jensen所著的《遥感数字影像处理导论》一书作为教学参考书，提高了学生学习《数字图像处理》课程的专业积极性。

2 教学内容的调整优化

《数字图像处理》课程理论较深奥，涉及的知识比较广，包括光学、色度学、信息论、线性变换、概率论、计算几何学、数学形态学、分形、随机过程等，很多开设该课程的本科专业并没有系统地学习过以上课程。对于遥感科学与技术专业的学生来说，只有高等数学、物理学、线性代数、概率论、数理统计等知识储备，在学习时感到概念抽象，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握，接受课程内容的难度很大。受课时所限，教师也不可能有充分的时间为学生补充相关知识，讲授起来也比较困难。因此，根据专业课程设置和学生特点适当调整优化教学内容是必要的。

兼顾学科的完整性、系统性、学时、学生知识储备和专业特征，对教学内容做了调整优化，部分内容重点介绍，部分内容进行压缩或略讲，并补充一部分教学内容。教学内容分为：第一讲，数字图像处理基础。它介绍了人眼视觉特性、数字图像获取、图像数字化和量化、数字图像类型、数字图像处理系统构成、数字图像文件格式、数字图像直方图和数字图像处理的基本算法形式。为了使学生较好地理解图像数字化原理，可以补充部分数字化器和奈奎斯特采样定理知识。第二讲，图像变换。它是数字图像处理学科很多方法的理论基础，应当讲好这一内容。图像变换理论较深奥，对数学基础要求高，而遥感科学与技术专业学生先期没有修习信号与线性系统理论。因此，笔者重点选择点源概念和delta函数性质、二维线性位移不变系统、连续傅里叶变换、离散傅里叶变换及其性质作为教学内容；而其他如沃尔什变换、哈达玛变换、余弦变换、小波变换等作为学生自主学习内容。教学中增加了分配函数概念，线性系统描述、概念和一维线性系统性质等内容；并联系高等数学中的傅里叶级数介绍了傅里叶变换的原理和性质，降低学习难度，以强化学生对于傅里叶变换是时空域到频域转换的有力工具的认识为教学目标。第三讲，图像空间域增强。它包括灰度变换、直方图处理、空间滤波、空间域代数运算。第四讲，图像频域增强。它简单介绍了频率增强技术原理、方法和滤波器技术。第五讲，彩色图像增强。考虑到彩色图像处理技术在遥感科学技术中应用的广泛性，介绍了空域和频域伪彩色图像增强、彩色图像合成和显示、图像表色系和彩色图像变换内容。第六讲，图像复原与重建。它简单介绍了数字图像恢复原理，重点讲解图像几何变换和几何校正原理与方法。第七讲，图像分割。它主要介绍边缘检测与边界跟踪、线检测、区域分割、区域增长和分裂合并方法。第八讲，二值图像处理与形状分析。它包括二值图像的概念、图像形态学处理的基本方法和算法、对象的表示方法和描述技术。第九讲，图像纹理分析。它主要介绍图像纹理的概念和灰度共生矩阵纹理分析方法。图像压缩编码及图像模式识别的内容作为学生课余自学内容。

3 改进教学方法和丰富教学手段

大学本科教学方法是教学过程中最重要的组成部分，也是人才培养方法在教学过程中的具体化[5]。影响课堂教学效率的因素很多，学生学习能动性是最为关键的要素。对大部分学生而言，高等教育阶段也是其重要的社会转型阶段[6]。培养学生理论与实践相结合解决实际问题的能力比传输知识更重要。

在教学过程中，要采用多样化的教学方法和教学手段，调动学生学习自主性。课堂教学中，教师传输教学信息要增强信息感染力。注重教学互动,让学生参与到教学过程中，综合运用启发式教学方法、问题式教学方法吸引学生注意力。传输知识过程中，注重理论联系实际，使学生通过适当联想来解决图像处理问题，如讲解灰度变换理论后，分别利用整体偏暗和特别明亮的图像，让学生思考采用什么样的方法来改善图像的显示效果，通过学生积极参与和自主思维寻求答案，激发学习兴趣，培养创新思维。利用案例式教学方法，结合遥感图像处理科研实践，使学生能够了解图像处理理论和所学专业知识的关系，加强对图像处理技术专业应用的感性认识，提高学习自觉性。

区分知识难度层次，采用不同的教学方法。理论要求较高的知识，注意与先导课程和教学内容的衔接和平滑过渡；中等难度的教学内容，讲解为主，适当设置问题，引导学生参与解决；对于难度小的知识，采用讲解一个案例，讨论式方法学习。

在课程教学中，多种教学手段并用。发挥多媒体和动画技术直观教学的优势，展示图像处理效果和编程处理实例，丰富教学信息量。对于重要算法原理、实现和计算推导等难度较大的内容，将传统的板书和多媒体相结合，边板书边讲解，与学生思维同步，最后采用多媒体课件进行总结归纳并利用图形动画演示结果。在教学过程中，引入Matlab工具箱，建立Matlab实验平台，化抽象为直观，展示图像处理效果，也供学习图像处理算法分析使用。

4 实践教学探讨

教学质量的提高、教学效果的加强和高素质人才的培养不是只靠理论教学就可以达到的，它们同样离不开与理论教学同等重要的实践教学[7]。《数字图像处理》是一门理论性和实践性都很强的课程。日常教学中，笔者通过多媒体课件展示实验案例，分析算法过程，加强学生对解决图像处理实际问题的感性认识；针对典型图像处理方法开设实验课程，让学生基于所学，编写图像处理小程序来巩固所学知识，培养动手能力；开设图像处理课程设计，分层次设置实验项目，以VC++作为开发工具，从底层代码编写出发提高学生的实践创新能力；改革实践教学考核方式，以实验答辩代替实验考核。

5 结语

通过不断实践探索，遥感科学与技术专业的《数字图像处理》课程教学质量在稳步提升。学生普遍反应基本掌握了图像处理知识原理，程序编制和调试能力显著提高。

《数字图像处理》课程教学实践仍须不断加强，从教学内容、教学团队、多媒体课件研制、实验平台和实验项目、试题库、远程教学、学生参与科研项目等多方面加强课程建设，丰富教学手段，提高教育质量。

[1] 吴平.创造性人才培养与教材建设[J].高等理科教育，2001,4: 65-66

[2] 贾永红.《数字图像处理》课程的建设与教学改革[J].高等理科教育，2007,l:96-98

[3] 贾永红.数字图像处理[M].武汉：武汉大学出版社，2010

[4] 于琳.大学生离外文原版教材有多远[J].中国大学教学，2001,2: 37

[5] 赵晶.教与学的统一——浅议地球信息科学专业教学改革[J].高等理科教育，2010,4:82-84

[6] 李天文，张友顺，吴琳.多媒体教学方法在地理教学中的反思与探索[J].高等理科教育，2004,4:98-101

[7] 朱正伟,刘东燕,何敏.加强高校实践教学的探索与实践[J].中国大学教学，2007,1:76-78

Teaching of Digital Image Processing Course in Remote Sensing Science and Technology Specialty

by LIU Chunguo

Digital Image Processing isone of the required professional courses of Remote Sensing Science and Technology Specialty.According to professional character,curriculum and teaching requirements,teaching practice was given,such as teaching material,teaching content,teaching skill,teaching method and experimental teaching.And several aspectsto strengthen in the teaching of Digital Image-Processing were brought out.

Digital Image Processing,Remote Sensing Science and Technology,course teaching

2011-11-17

项目来源：河南省教育厅自然科学研究计划资助项目 (2011A420002)；河南理工大学教育教学改革研究资助项目 (2008JG035)。

P237

B

1672-4623(2012)03-0180-03

刘春国，博士，研究方向为遥感与地理信息系统。